电子生活在一个奇怪而混乱的世界里。尽管科学家们已经对这些无限小的粒子进行了一个多世纪的研究，但它们从未停止让人感到惊奇和困惑。现在，有一个更惊人的转折，物理学家发现，在一定条件下，相互作用的电子可以创造出所谓的“拓扑量子态”。这一发现最近发表在《自然》杂志上，它为电子工程、材料科学，特别是计算机科学带来了巨大的变革潜力。
物质的拓扑状态是量子现象中特别有趣的一类。他们的研究将量子物理与拓扑结合起来，拓扑是理论数学的一个分支，研究可以变形但不会本质改变的几何性质。拓扑量子态第一次来到公众的注意是在2016年,当时三位科学家——普林斯顿大学的邓肯·霍尔丹,普林斯顿大学的托马斯·d·琼斯教授数学物理和谢尔曼仙童大学的物理学教授,大卫·阿伯丁大学科斯特利兹——Thouless和迈克尔一起获得诺贝尔奖的工作在电子材料发现拓扑结构的作用。
一个由普林斯顿领导的物理学家团队发现，在一定条件下，相互作用的电子可以创造出所谓的“拓扑量子态”，这对许多技术领域的研究都有意义，尤其是信息技术。为了获得想要的量子效应，研究人员将两层石墨烯层层叠加，表层以1.1度的“魔法”角度扭曲，形成了莫尔图案。这张图展示了扫描隧道显微镜对神奇角度扭曲双层石墨烯的成像。
普林斯顿大学1909届物理学教授、这项研究的资深作者阿里·雅兹达尼说:“过去十年，电子的新拓扑量子态有很多令人兴奋的发现。”“在过去十年里，我们发现的大部分东西都集中在电子如何获得这些拓扑特性上，而没有考虑它们之间的相互作用。”
但通过使用一种被称为“魔角扭曲双层石墨烯”的材料，Yazdani和他的团队能够探索电子相互作用是如何产生物质惊人的相态的。
两年前，麻省理工学院(MIT)的Pablo Jarillo-Herrero和他的团队发现了石墨烯的非凡特性，他们利用石墨烯诱发了超导性——在这种状态下电子可以无阻力地自由流动。这一发现立即被认为是探索不寻常量子现象的新材料平台。
Yazdani和他的同事们对这一发现很感兴趣，并开始进一步探索超导的复杂性。
但他们的发现把他们引向了一条不同的、从未有人涉足的道路。
“这是一个不知从何而来的奇妙迂回，”论文的主要作者、物理学研究生凯文·努克尔斯(Kevin Nuckolls)说。“这完全出乎我们的意料，而我们注意到的一些事情将会很重要。”
以Jarillo-Herrero和他的团队为例，Yazdani、Nuckolls和其他研究人员将他们的研究重点放在扭曲双层石墨烯上。
“这真是一种神奇的物质，”Nuckolls说。“这是一种碳原子的二维晶格，是一种很好的电导体，也是已知的最强晶体之一。”
石墨烯的制作过程看似简单，但却十分辛苦:用胶带将石墨晶体剥离，去掉最外层，最后得到一层单原子薄的碳，碳原子以扁平的蜂窝晶格形式排列。
为了得到想要的量子效应，普林斯顿大学的研究人员在Jarillo-Herrero的工作基础上，将两层石墨烯相互叠加，顶部有轻微的角度。这种扭曲创造了云纹图案，它类似于一种常见的法国纺织品设计，并以此命名。然而，重要的是石墨烯顶层的角度:精确的1.1度，这是产生量子效应的“魔法”角度。
“这是自然界中如此奇怪的一个小故障，”Nuckolls说，“这正是需要实现的一个角度。”例如，将石墨烯的顶层置于1.2度的角度，不会产生任何影响。
研究人员产生了极低的温度和轻微的磁场。然后，他们使用了一种叫做扫描隧道显微镜的机器，这种机器依靠一种叫做“量子隧道”的技术而不是光来观察原子和亚原子世界。他们将显微镜的导电金属尖端对准扭曲的石墨烯表面，从而能够探测到电子的能级。
他们发现，魔力角石墨烯改变了电子在石墨烯薄片上的运动方式。“它创造了一种条件，迫使电子处于相同的能量，”Yazdani说。“我们称之为‘平带’。”
当电子具有相同能量时——在平带材料中——它们相互作用非常强烈。Yazdani说:“这种相互作用可以使电子做许多奇异的事情。”
研究人员发现，这些“奇异”现象之一是意外自发的拓扑状态的产生。
“石墨烯的扭曲为电子间的强相互作用创造了合适的条件，”Yazdani解释道。“这种相互作用出乎意料地有利于电子将自己组织成一系列拓扑量子态。”
研究人员发现电子之间的相互作用产生了拓扑绝缘体:一种内部不导电但边缘允许电子连续、不受阻碍地移动的独特装置。该图描述了魔角石墨烯的不同绝缘状态，每个状态都有一个整数，称为“Chern数”，用来区分不同的拓扑相。
特别地，他们发现电子之间的相互作用产生了所谓的拓扑绝缘体。这些独特的装置在内部起到绝缘体的作用，这意味着内部的电子不能自由移动，因此不导电。然而，边缘上的电子可以自由移动，这意味着它们是导电的。此外，由于拓扑结构的特殊性质，沿边缘流动的电子不受任何缺陷或变形的影响。它们连续流动，有效地规避了通常会阻碍电子运动的约束条件——比如材料表面的微小缺陷。
在研究过程中，Yazdani的实验小组与另外两名普林斯顿大学的物理学教授Andrei Bernevig和物理学助理教授连彪合作，去理解他们发现的潜在物理机制。
Bernevig说:“我们的理论表明，两个重要的组成部分——交互作用和拓扑结构——在本质上是相互分离的，但在这个系统中结合起来。”这种耦合产生了实验中观察到的拓扑绝缘体状态。
虽然量子拓扑是一个相对较新的领域，但它可能改变计算机科学。Yazdani说:“人们经常谈论它与量子计算的关联，你可以使用这些拓扑量子态来制造更好类型的量子比特。”“我们尝试做的动机是理解量子信息如何在拓扑阶段被编码。这一领域的研究正在产生令人兴奋的新科学，并可能对推进量子信息技术产生潜在影响。”
Yazdani和他的团队将继续他们的研究，以了解电子的相互作用如何产生不同的拓扑状态。
Yazdani说:“这种材料系统中的拓扑结构和超导性之间的相互作用非常吸引人，这是我们接下来要尝试去了解的。”
除了Yazdani、Nuckolls、Bernevig和Lian，参与这项研究的还有共同第一作者Myungchul Oh和Dillon Wong，博士后研究助理，以及日本国家材料科学研究所的渡边贤二和谷口隆。
由Kevin P. Nuckolls、Myungchul Oh、Dillon Wong、表连、渡边贤二、Takashi Taniguchi、B. Andrei Bernevig和Ali Yazdani撰写的《神奇角扭曲双层石墨烯中的强相关陈氏绝缘体》于12月14日发表在《自然》杂志上(DOI: 10.1038/s41586-020-3028-8)。这项工作主要由戈登和贝蒂摩尔基金会的EPiQS倡议(GBMF4530, GBMF9469)和能源部(DE-FG02-07ER46419和DE-SC0016239)支持。其他支持实验工作是由美国国家科学基金会提供(材料科学与工程研究中心通过普林斯顿大学复合材料中心(nsf (dmr) 1420541, nsf – dmr – 1904442)和渴望dmr – 1643312),埃克森美孚通过Andlinger普林斯顿大学能源与环境中心普林斯顿催化倡议,基本战略倡议由日本教育部,文化,体育,科技(JPMXP0112101001、jsp KAKENHI格兰特JP20H0035和波峰JPMJCR15F3),普林斯顿普林斯顿大学理论科学中心,西蒙斯基金会,帕卡德基金会,施密特创新研究基金,净水器以色列我们基金会(2018226),美国海军研究办公室(n00014 – 20 – 1 – 2303)和普林斯顿大学的全球网络基金。
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